Question

求扫描探针显微技术的原理及其应用的物理学论文，

Answer 1

三扫描探针显微技术(SPM)的基本原理及应用

SPM实际上是一个很大的家族,是在扫描隧道显微镜(STM)发明取得巨大成就的基础上发展起来的各种新型显微镜.它们的原理都是通过检测一个非常微小的探针(磁探针、静电力探针、电流探针、力探针),与样品表面的各种相互作用(电的相互作用、磁的相互作用、力
的相互作用等),在纳米级的尺度上研究各种物质表面的结构以及各种相关的性质.
1. STM的发明是利用了电子隧道效应,即当两个电极之间距离很近为S时,如外加一个很小的偏压Vb,电子就会穿过电极之间的能量势垒,从一个电极流向另一个电极,电子穿过势垒的效应称为隧道效应.S应该很小,才能起到这种粒子波动性质的量子效应.例如,实验中把一个金属的尖端作为一个电极,用样品的表面作为另外一个电极.当把两个电极之间的距离调到小于1nm时,外加一个很小的偏压,电子就会通过针尖穿过势垒流向另一个电极
表面(样品),即产生了隧道电流.
若控制电极与样品表面隧道电流做到恒定时,针尖与样品之间
距离就该不会变,在扫描过程中,针尖会随着样品表面的起伏而起伏.如针尖足够尖,就可能分辨出单个的原子;如针尖沿X、Y平面方向扫描,就会得到样品表面数据和表面原子的分布,这就是扫描隧道显微镜(STM),也是扫描探针显微技术(SPM)的基本原理.通常扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近(大约为0.5至1.0nm),所以它们之间的电子云互相重叠.在它们之
间施加一偏置电压Vb= 2mV~2V时,就会形成隧道电流.此隧道电流I可以表示为
I ∝Vbexp(-kφ1/2s),
式中 k=常数,在真空条件下为≈1;
φ为针尖与样品的平均功函数;
s为针尖与样品表面之间的距离,一般为0.3∽1.0nm.
由于隧道电流I与针尖和样品表面之间的距离s成指数关系,所以电流I对针尖和样品表面之间的距离变化非常敏感.例如,若此距离减小仅仅0.1nm,隧道电流I将会增加10倍;反之,如果此距离增大0.1nm,隧道电流I就会减少10倍.
若想达到类似STM的功能,主要须配置:
(1) 通过一个压电陶瓷管,很精细地控制空间三维的扫描;
(2) 配合一套简便的系统,通过一个电子反馈系统把数据用计算机采集起来,然后转化成图像直接显示出来.
2. 原子力显微镜(AFM),是在STM基础上发展起来的,这是因为STM只能在导电材料的样品表面上,分辨出单个的原子及结构的三维图像.对于非导电材料,STM将无能为力.为了弥补STM的不足,1986年宾尼、夸特、格勃发明了原子力显微镜(AFM),它的许多原件与STM是共同的.AFM与STM的主要不同点是:
AFM采用了极其敏感的,易弯曲的微悬臂针尖代替了STM的
隧道针尖,并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧
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道电流.正是由于AFM工作时不需要探测隧道电流,所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单各原子,,应用范围比STM更为广泛
3. 扫描探针显微技术(SPM)的特点
(1) 具有原子级的高分辨率
STM的横向分辨率可达到0.1nm,垂直表面方向分辨率可达0.01nm,这是目前所有显微技术当中分辨率最高的.
(2) 可以观察单个原子层的局部表面结构
STM观察的是表面的一个或两个原子层,即几个纳米的局域信息,而不是像光学显微镜和电子束显微镜只能获得平均信息.
(3) STM配合扫描隧道谱(STS),可以得到表面电子结构的有关信
息,可以通过调节隧道结偏压来观察不同位置电子态密度分布,观察电荷转移的情况,还可以得到电子结构的信息.
(4)STM可以实时、实空间地观察表面的三维图像
STM可以用零点几秒钟时间采集一幅实空间图,在一个位置上连续记录,可以观测到原子表面扩散、迁移的过程.而不像其他,例如各种衍射方法所得到的只是倒易空间的图像,不是实空间的,而且只有进行”傅里叶变换”才能得到实空间图像.
(5)STM可以在不同条件下工作,例如真空、大气、常温、低温、
高温、熔温,不需要特别的制样技术,而且探测过程对样品无
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损伤.能在缓冲溶液中接近自然状态下观测,为直接观察生物样品的表面结构提供了可能,并且可以在高温下观测样品否发生相变或 晶畴的移动等,因而扩展了研究对象的范围.
(6)STM不仅可用于成像,还可以对表面的原子、吸附的原子或
分子进行操纵,从而进行纳米级加工,这是其他技术所不具
备的一种功能.
4. 影响扫描探针显微技术质量的几个关键
(1) 关于震动的影响:一般地面震动是在微米量级,可是要产生稳定的隧道电流,针尖和样品间必须小于1nm.微小的震动就会使针尖闯上样品,甚至难以严格控制它在精细的位置上扫描,所以要尽量减少震动.
(2) 噪音的影响:因为产生的电流是纳安级的,要取得原子分辨率
(约0.01nm),必须控制针尖,以实现扫描,要求仪器本身稳定,隔绝电子噪音.
(3) 针尖的要求:如果针尖很钝,就不可能探测到单个的原子,达
不到原子分辨率,所以针尖必须很尖.一般要求具有纳米尺度
,要求高水平的微加工技术.
(4) 样品的要求:STM工作时需要产生隧道电流,所以要求样品必须是导体或半导体,否则就不能用STM直接观察.原子力显微镜(AFM)可检测非导体,但要求样品粘度不能过大,否则针尖扫描时就会拖着样品一起动,达不到高的分辨率.
编 后 记
人类已迎来了肉眼可直观原子图像,甚至可移动、提取、放置、操纵单原子等技术,为纳米世纪的来临和洞察纳米世界物质本质做出了伟大贡献.这是先辈有特殊贡献的科学家,例如德国的埃贝、海仑、霍尔茨、蒲许、克诺尔、鲁斯卡、克劳塞、穆勒以及西门子公司的蔡司光学工厂和美国IBM公司的宾尼、罗雷尔,还有一些未予记载国籍和名称的科学工作者的辛勤劳动成果.经过从十七世纪到十九世纪漫长时间的探究、追求、观察、推理、研制、实验、失败、成功等等经历,而获得的各阶段的伟绩.目前,如STM、AFM等显微镜已在各国科研部门逐步使用,正为各行各业的科技进步、创新活动做贡献.我国的一些科技工作者也已在不多的公、私研究单位、学校、工厂、企业的新产品中注入了纳米级的材料和技术,也会逐步接触和应用STM、AFM,以获得更高层次的产品.